华东理工化工原理课程设计

1、华 东 理 工 大 学2 0 1 0级 化 工 原 理 课 程 设 计、八 、亠一前言1.换热器的相关说明换热器(heat exchanger)，是将热流体的部分热量传递给冷流 体的设备，又称热交换器。是进行热交换操作的通用工艺设备。被 广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设 备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、 冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝 器和汽化器； 根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换 热器； 尤其是根据冷、 热流体热量交换的原理和方式基本上可分三 大类即：间壁

2、式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热 器应用最多。据统计,这类换热器占总用量的99 %。间壁式换热器 又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度 的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验 其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于 管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等 优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要 类型换热器,尤其在高温、 高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。 如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。2泵的评价与选用泵的性能参数主要有流量

3、和扬程，此外还有轴功率、转速和必 需汽蚀余量。流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增 量，对于容积式泵，能量增量主要体现在压力能增加上，所以通常 以压力增量代替扬程来表示。3.设计任务书的作用本设计书对指定有机物进行冷却，如何选择合适的换热器，如 何合理安排操作管路以及如何选择合适的离心泵作出详细的计算 说明。二设计任务一. 工艺要求要求将温度为78C的某液态有机物冷却至60C,此有机物的流 量为s。现拟用温度为t仁20C的冷水进行冷却。要求换热器管壳 两侧的压降皆不应超过。已知有机物在69C时的物性数据如下：二. 流程：管路布

4、置如图（右方参考图）已知泵进口段管长L 进=5米，泵出 口段管长L 出=15米，（均不考虑局 部阻力损失）三.要求1.选用一个合适的换热器2.合理安排管路3.选用一台合适的离心泵二计算结果明细表(1)管壳式换热器的规格公称直 径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数N中心排管数管程流通面积/m2换热管 长度L/mm管心距/mm换热面积/m232528810300025(2)离心泵的型号规格型号转速n/(r/min)流量扬程/m效率功率必需气蚀量(NPSHr/m质量(泵/底座)/kgm/hL/s轴功率电机功率IS65-29001558350/4150-1252520693068(3)计算

5、数据结果记录项目结果单位冷却剂出口温度36循环水定性温度28热负荷kW冷却水质量流量并流对数平均温差逆流对数平均温差估算换热面积管程流动面积管内冷却水流速管程给热系数摩擦系数管程压降Pa壳程流动面积壳程有机物流速当量直径m壳程给热系数壳程压降Pa核算传热系数校核传热面积冷却水流量总局部阻力系数阻力损失m压头（扬程）m四计算过程一.选择合适的换热器1.确定物性数据设计方案：冷却水：用温度t1=20C的河水进行冷却，从氐tm10C及防止水中盐类析出为原则，选择出口温度为36C。考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温与壳体壁温之差较大；夏季 时河水的温度变化也不是很大，因此选用管壳式换热器。

6、从二种流体的物性来看，由于冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从综合考虑，应使冷却 水走管程，有机液态化合物走壳程，并且保证冷却水的流速不宜过慢。入口温度为ti=20C，出口温度为t2=36C冷却水的定性温度为tm=(20+36)/2=28C两流体的温差Tm-t m=69-28=41C两流体在定性温度下的物性数据如下、_、物性流体、温度C密度kg/m3粘度mPa- s比热容kJ/(kg-C)导热系数W/(m-C)有机物69997循环水282.计算热负荷Q和qm2由热量衡算换热器的总的换热量：QqmiCpi(TiT2)9.852-22(7860) 393

7、-606kW-Qqm2-冷却水所需的流量：Cp2(t2tj3.计算温差 和估计传热系数K估并流时，11=T1-t1=78-20=58C,逆流时，11=T1-t2=78-36=42C,由于在相同的流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，393.6065.894kg/s4.174 (36 20)12=T2-t2=60-36=24C12=T2-t1=60-20=40C所以选择逆流。由于水与中有机物的传热系数K在290698之间，故取总传热系数K现暂取：K 650W/m2C4.估算换热面积5.根据条件选取合适的换热器根据A估可以选择下述标准换热器（查附录得）：公称直 径DN/mm公称压 力PN/

8、MPa管程数N管子根数N中心排管数管程流通面积/m2换热管 长度L/mm管心距/mm换热面积/m232528810300025I 传热管排列与分程方法:采用组合排列法，即每程内均按照正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距1=则1=*19=取l=24mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为：S=1 /2+6=24/2+6=18mm则各程相邻管的管心距为36mm管束的分程方法，每程各有传热管44根，其前后管箱中隔板设置和 介质的流通顺序按书上图所示n.壳体内径：采用多壳程结构，其壳程内径：Q-zgn取管板利用率n=则D=按卷制壳体的进级挡可取D=300mm川.折流板间距：挡板的间距对壳程的流

9、动有重要的影响，间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制造和 检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的倍。故取6.计算管程压降Apt及给热系数i根据标准换热器提供的参数管程流动面积：A 0.0078m2管内冷却水流速：管程给热系数i:取钢的管壁粗糙度&为，则管程压降：7.计算壳程压降Aps及给热系数0其大于估算的K值,故可行。管束中心线管数Ng 10壳程流动面积：因 Re 500,花 5 Re0.228511807 .800.2280.590管子排列为三角形，F=,fs=壳程压降:B=240mm故折流板数二N&=传热管长折流板间血3000

10、240-1=13（块）壳程中有机物被冷却，0 .140 .95W8.计算传热系数K计污垢热阻和管壁热阻:管外侧污垢热阻2 OR外0.000176m2C/W管内侧污垢热阻甩 0.0002 伽 C/W取钢管壁厚29.校核传热面积103m，热导率50W m1K1所选换热器：A15.2m2所以选择的换热器符合要求。二.安排管路和选择合适的离心泵1.管径初选初取水合适流速u 1.5mS由于不是标准管径，因此确定d=73mm壁厚3mm的热轧无缝钢管符合经济流速范围故确定：u 1.68m/ sd=73mm壁厚3mm2.压头He在水槽液面及压力表处列柏努利方程取0.15mm/d 0.00224查图得局部阻力：

11、2B2UcpsFfNTcNB1NB3.5fsD220.240.37420.50.5901012 1123.51.15 997 -4903.46Pa 0.1MPa0.32底阀一个标准90弯头3个球心阀1个（全开）另外：突然减小=突然增大故0.75 3 6.4 0.5 8.5 1.018.65换热器压降对泵的压头安全系数取，=对流量的安全系数取，qve二m3/ h泵的选择因为是输送河水，并且根据qv和He以及IS型离心泵系列特性曲线可以选用清水泵，由以上数据查表得取泵：IS65-50-125其参数为：转速：2900 r / min流量30 m3 / h扬程：H二效率：68%轴功率：必需汽蚀余量:3

12、m五附录(1)相关流体的物理性质物性流体温度密度kg/m3粘度mPa- s比热容kJ/(kgC)导热系数W/(m-C)有机物69997循环水28(2)计算使用的物理数据管外侧污垢热阻2 O:R外0.000176m C/W管内侧污垢热阻2 O:R内0.00021m2 OC/W钢管热导率50W m1K1六符号说明主要符号说明符号意义计量单位A面积2m定压比热容d管径mg重力加速度m/s2单位重量流体的机械能损失ml管路长度mm质量kg虚拟压强PaP流体压强PaPa大气压PaB挡板间距mT周期时间st时间st温度Cu流速m/sqv体积流量m/sqm质量流量Kg/s绝对粗糙度mm局部阻力系数摩擦系数动

13、力黏度密度Kg/m3He有效压头mD换热器壳径mf校正系数fo壳程流体摩擦系数K传热系数Nr管子总数Q热流量W 或 J/S给热系数热导率数群Grtl32格拉私霍夫数一Nu努塞尔数一1Pr普朗特数二Re雷诺数du下标g气体的m平均w壁面的s壳程的t管程的有有机物的七设计说明需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程；有机物可以采取逆流的方式；换热器说明：1.采用光滑管光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为 了提高换热器的传热系数， 可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。2.选用 19 2mm 的换热管。3.本设计中采用3米长的换热管。4.管子的排列形式：本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。5.采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置6.允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=管路布置如图所示：(1)管路选择73mn3mr的钢管，至少 使用下列零